福建明溪花园石灰岩矿区岩溶发育特征

包国良

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

岩溶(喀斯特)为水对可溶岩石进行以化学溶蚀作用为主，并伴随以流水冲蚀、潜蚀、重力崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用在地表造成各种独特的地貌现象和特殊水文地质现象过程的总称。储存并运移于可溶性岩层中的地下水称为岩溶水，水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水水源。岩溶区的奇峰异洞和大泉是宝贵的旅游资源。易发生渗漏的岩溶化岩层，则给修建水利工程带来复杂问题。水量大且分布极不均匀的岩溶水往往对采矿构成巨大威胁，如矿坑突水等矿山开采面临的常见地质灾害。我国的可溶岩分布约占全国面积的三分之一，因此对岩溶及岩溶水的研究具有很大的实际意义[1]。明溪花园石灰岩矿区是以岩溶水直接充水为主的矿床，查明该矿区岩溶的发育特征及分布规律，为矿山开采建设提供依据，具有一定的指导意义。

1 研究区概况

矿区位于福建西北部，地处武夷山脉东南侧，区内出露地层有早石炭世林地组、早二叠世船山组、中二叠世栖霞组、文笔山组及第四纪更新世及全新世，岩性主要有石英砂岩、石英砂砾岩、石灰岩，粉砂岩、泥岩。残积黏性土及冲洪积砂、卵石、砾石等。侵入岩主要分布于矿区东北部，为晚侏罗世钾长花岗岩。

矿区处于明溪复式向斜南东翼北段，次级小褶皱较发育，以复式背、向斜为主要特征。区内断裂发育，以北东向断裂为主，呈近等距平行展布；次为南北向和北西向。断裂性质以脆性高角度正或逆层为主(1)福建省地质调查研究院，福建省明溪县花园矿区南矿段水泥用灰岩矿详查报告，2019。收稿日期：2019-07-19作者简介： 包国良(1985-)，男，工程师，水文与水资源工程。。

2 研究区水文地质特征

2.1 地形(地貌)

矿区属构造侵蚀低山地貌类型，地形坡度较陡，一般为20°～40°，局部超过45°。地势北高、南低。最高点位于矿区西北部(茶甲峰)，标高为814.5 m；最低点位于矿区南部溪沟，标高为405.90 m，为矿区最低侵蚀基准面，相对高差为408.60 m。植被发育，主要为杉木、松木和灌木林，少量毛竹林，基岩较少裸露，特别在文笔山组地层覆盖区，地表多被残积黏性土覆盖，层厚一般为2～10 m。

矿区内沟谷发育，地形切割较深，主要分布有4条沟流(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，其中Ⅰ沟流是矿区的主沟流，其年平均流量为171.90 L/s；Ⅱ沟流流量为16.46 L/s，Ⅲ沟流流量为4.652 L/s，Ⅳ沟流流量为6.696 L/s；各支流汇聚至主沟流后由东北往西南穿过矿区汇入渔塘溪(图1)。

2.2 岩层富水性

矿区内地下水类型可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、块状岩类裂隙水及碳酸盐岩类岩溶水。

松散岩类孔隙水：主要贮存于冲洪积的砂砾卵石层的孔隙中，含水层厚度一般小于5.0 m，为潜水，在山凹或山坡脚与基岩接触部呈小股状或面状的泉渗出地表，泉流量在0.014～0.14 L/s，富水性弱。

碎屑岩类孔隙裂隙水：主要贮存于文笔山组岩层的孔隙裂隙中，揭露含水层单层最大厚度为31.80 m(ZK702)，最小为1.00 m(ZK3902)，呈透镜状为主，地下水径流模数0.75～0.84 L/(s·m)，富水性弱。

碎屑岩类裂隙含水层：位于矿床的顶板，为矿床间接充水含水层。

碳酸盐岩类岩溶裂隙水：贮存于船山组-栖霞组石灰岩、大理岩裂隙溶洞中，钻孔揭露含水层单层最大厚度为13.97 m(ZK3904)，最小为0.10 m(ZK3902)，呈透镜状为主，钻孔单位涌水量为0.086 L/(s·m)，泉流量最大0.513 L/s，富水性以弱为主, 为矿床直接充水含水层。

块状岩类裂隙水：贮存于中细粒花岗岩的裂隙中，泉流量为0.062 L/s，富水性弱。

2.3 断层导水性

矿区发育北东向断层(F1、F2、F3、F11、F12)、南北向断层(F4、F5、F6)及北西向断层(F7、F8)，大部分断层两侧未见泉点出露，为不导水断层。断层性质以压性为主，其中F11为张性导水断层，位于矿区中部文笔山组与船山-栖霞组石灰岩接触带上，长约为1.7 km，宽数米。断层走向北东15°～40°，倾向北西，倾角20°～50°。断层内岩石具矽卡岩化、绿帘石化、碳酸盐化，性质为缓倾角正断层。断层附近可见泉点出露，流量在0.091～0.513 L/s，富水性弱，钻孔揭露该断层以弱导水为主，地表水通过断层与地下水水力联系总体弱。该断层是控制石灰岩矿体分布的主要断层。

图1 明溪花园矿区水文地质略图

2.4 地下水补给、径流、排泄条件

矿区地下水主要贮存于栖霞组石灰岩的裂隙溶洞中，其补给、径流、排泄条件主要受地形及岩溶发育系统控制。地下水的补给来源主要为大气降水，岩石裸露区通过地表溶隙直接接受大气降水的面状渗入补给；在埋藏型岩溶区，大气降水通过上覆地层(文笔山组及第四系)间接补给岩溶水。地下水流向与地形坡向较为一致，由地势较高处呈辐射状向下游潜流，从分水岭到沟谷，地下水交替由强变弱，在垂向上，地下水径流随深度增大而变弱；一般以下降泉的形式在沟谷中、陡壁下排泄 (图2)。

图2 明溪花园矿区水文地质剖面图

3 岩溶发育特征及分布规律

3.1 岩溶的发育特征

区内出露早二叠世船山组、中二叠世栖霞组石灰岩地层分布广泛，岩石矿物成分以方解石为主，化学成分以CaCO3为主。矿区钻孔揭露石灰岩厚度在25.82～396.25 m，以埋藏或覆盖型岩溶为主，仅局部为裸露型。岩溶形态以溶洞为主，少量地表的为溶槽、溶沟。矿区断层发育，特别是矿区张性断层F11附近的岩溶分布较为集中。

在矿区施工的15个钻孔中，见有溶洞钻孔4个(ZK701、ZK3901、ZK3904、ZK5501)，线岩溶率分别为2.31%、7.49%、1.57%、18.14%，平均线岩溶率1.92%，钻孔溶洞遇见率为26.67%，岩溶不发育。溶洞具有半充填和空洞(无充填)2种类型，充填率及空洞率各占50%。充填物多数为泥砂及石灰岩碎块，呈灰黑色、灰色，石灰岩碎块多呈棱角状，表明其未经过搬运或搬运距离短。从岩溶的充填物化学成分全分析可知，相较于石灰岩化学成分除CaO、SO3、Cl及烧失量外，其余化学成分含量均更高，特别是SiO2(砂)含量(图3)。

图3 明溪花园矿区岩溶充填物与石灰岩化学成分含量特征曲线图

矿区地下水水位埋深多在10～40 m，部分钻孔发生漏水，水位下降到80 m，水位标高在396.65～619.35 m。岩溶水化学类型为HCO3-Ca型。矿化度在43.75～187.29 mg/L，为低矿化度水。pH值为7.66～7.90，属中性水。硬度在121.06～166.96 mg/L，属软水-中硬水。水样Piper图显示，在三角形区域，多数阳离子位于三角形的底端偏左方，为高Ca2+，低Na+、K+和Mg2+；多数阴离子位于三角形的底端偏左方，为高HCO3-，低Cl-、SO42-(图4)。岩溶水化学特征的形成是由于水的溶滤作用，富含CO2的溶滤水流经富含CaCO3的石灰岩地层往往形成HCO3-Ca型的水[3]。

图4 明溪花园矿区水样的Piper图

3.2 岩溶的分布规律

矿区石灰岩在平面主要呈狭长条带状分布，主要分布于7线至55线之间，北部被花岗岩体侵入，南部为第四系覆盖，西部、北部埋藏于文笔山组之下。地表岩溶形态表现为溶槽、溶沟、溶蚀芽等，深部岩溶形态以溶洞为主。

水平方向，钻孔所揭露溶洞主要分布于断层F11附近；垂直方向，根据钻孔揭露溶洞分布标高分析，矿区地下溶洞发育有3层，埋深45.79～94.55 m，标高在489.27～368.59 m，位于矿区侵蚀基准面以上，溶洞高度在0.30～22.53 m(表1)。包括地表岩溶，矿区岩溶从上到下发育有4层，岩溶主要发育在栖霞组石灰岩中。

3.3 岩溶成因分析

岩溶发育的条件主要包括岩石可溶性、岩石的透水性、水的溶蚀性、水的流动性等，具体从区内地形(地貌)、岩性、构造、水文地质等方面进行分析。

区内的石灰岩地层分布广泛，且化学成分以CaCO3为主，石灰岩厚度在25.82～396.25 m，矿区的岩性为岩溶的发育提供了物质基础。岩溶作用多是在可溶岩石原有裂隙的基础上发展而成，矿区断层发育，受断层影响，岩石节理裂隙发育，特别是矿区张性断层F11附近，岩溶分布较为集中，携有丰富CO2的大气降水通过断层破碎带及岩石节理裂隙下渗补给地下水，地下水循环交替速度加快，不断溶蚀石灰岩体，形成溶洞。

水是岩溶作用的主要因素，水对石灰岩溶解作用是水中的CO2、H2O、CaCO3的化学反应过程，其化学反应过程可用化学反应式表达如下：

CO2+H2O+CaCO3Ca2++2HCO3-

上述化学反应是可逆的。水中富含CO2的溶滤水通过构造裂隙不断与富含CaCO3的石灰岩发生化学作用，即水中的CO2溶于水生成H+与CaCO3溶于水生成的OH-结合，从而促进CaCO3的溶解[1]，岩溶作用进一步发展。

当水中含有CO2时，才具有较强的溶蚀能力。矿区处于潮湿气候区，大气降水丰沛，大气降水中富含CO2的溶滤水通过构造裂隙不断与富含CaCO3的石灰岩发生化学作用，为岩溶作用提供了水动力条件。地形条件控制了水的流动性，岩石透水性取决于裂隙的发育程度[3]。区内岩溶发育具有不均一性，其与岩溶系统的开闭程度，水的循环交替快慢有关。系统开放，地下水交替速度快，则岩溶发育；反之，则不然。

表1 明溪花园矿区钻孔岩溶统计

新构造运动地壳间歇性隆升是形成多层溶洞的地球内动力因素。受新构造运动影响，地壳隆升，岩溶向下作用，开始新的一个岩溶作用。区内地下形成的3层溶洞以及地表岩溶，说明区内第四纪地质时期曾经历过三次地壳隆升。

矿区山坡较陡，大气降水排泄较快，岩溶以埋藏或覆盖型为主，仅局部为裸露型，大部分石灰岩被残积黏性土及花岗岩、砂岩、泥岩所覆盖，覆盖层总的厚度为1.05(ZK3904)～245.19 m(ZK2302)，平均厚度97.40 m，厚层的覆盖层成为天然的隔水屏障，大气降水不易下渗，无法充分补给地下水，导致矿区岩溶不发育。

4 结论

(1)明溪花园石灰岩矿区为岩溶水直接充水为主的矿床。矿区地下岩溶以溶洞为主，主要发育在栖霞组石灰岩中，岩溶率1.92%，属岩溶不发育地区。

(2)矿区岩溶发育受多种因素影响，新构造运动地壳间歇性隆升控制着溶洞的发育高度与层数。矿区地下形成的3层溶洞以及地表岩溶，说明矿区第四纪地质时期曾经历过3次地壳隆升。

(3)矿床开采所面临的主要水文地质问题为溶洞突水、突泥。未来矿山开采，在揭露到7线、39线、55线及断层F11附近等岩溶发育地段，可能产生突水、突泥等地质灾害，应加强监测及防护。